這是完整的代碼文件：代碼

1.源代碼

當(dāng)您編寫 Python 腳本時(shí)，它是人類可讀的文本。這個(gè)源代碼是一切的起點(diǎn)。

您的 Python 源代碼以 .py 文件編寫，是人類可讀的。此代碼定義了程序的功能，指定變量、函數(shù)、循環(huán)等。

2.編譯為字節(jié)碼（編譯器）

當(dāng)你運(yùn)行Python程序時(shí)，第一步是將源代碼編譯為字節(jié)碼。這是由 Python 解釋器完成的：

• 語法檢查：確保沒有語法錯(cuò)誤。
• 編譯：將高級(jí)源代碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，這是一種較低級(jí)別的、與平臺(tái)無關(guān)的表示形式。該字節(jié)碼通常駐留在 __pycache__ 目錄中的 .pyc 文件中。
  • 編譯器：Python 使用解釋器，但它首先將源代碼編譯為稱為字節(jié)碼的較低級(jí)別形式。
• 標(biāo)記化：將代碼分解為稱為標(biāo)記的小塊（如關(guān)鍵字、運(yùn)算符、標(biāo)識(shí)符）。
• 解析：分析標(biāo)記以確保它們遵循 Python 的語法規(guī)則。
• 控制流圖（CFG）：表示程序在執(zhí)行過程中可能遍歷的所有路徑。
• 字節(jié)碼生成：將解析后的令牌轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，這是Python虛擬機(jī)（PVM）的一組指令。

讓我們深入探討一下。

Python 編譯器：盡管 Python 被稱為解釋性語言，但它確實(shí)有一個(gè)編譯步驟。詳細(xì)內(nèi)容如下：

標(biāo)記化：

• 將代碼分解為稱為標(biāo)記的小塊（如關(guān)鍵字、運(yùn)算符、標(biāo)識(shí)符）。

1. 源代碼：從您編寫的代碼開始。
2. 分詞器 (Lexer)：這會(huì)將源代碼分解為稱為標(biāo)記的較小部分，例如關(guān)鍵字（for、if）、運(yùn)算符（、-）、標(biāo)識(shí)符（變量名稱）和文字（例如數(shù)字或字符串） .
3. 解析：分析標(biāo)記以確保它們遵循 Python 的語法規(guī)則。
4. 語法分析：解析器獲取這些標(biāo)記并根據(jù) Python 的語法規(guī)則檢查它們。
5. 解析樹：從標(biāo)記構(gòu)建樹結(jié)構(gòu)，表示代碼的語法結(jié)構(gòu)。
6. 語義分析：確保代碼在數(shù)據(jù)類型、范圍和其他特定于上下文的規(guī)則方面有意義。
7. 控制流圖（CFG）：表示程序在執(zhí)行過程中可能遍歷的所有路徑。
   • 控制流圖：表示代碼執(zhí)行過程中可能采取的所有可能路徑。
   • 節(jié)點(diǎn)和邊：每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)基本代碼塊，邊代表從一個(gè)塊到另一個(gè)塊的控制流。
8. 字節(jié)碼生成：將解析后的令牌轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，這是Python虛擬機(jī)（PVM）的一組指令。
   • 字節(jié)碼是源代碼的更緊湊、較低級(jí)別的表示形式，并針對(duì)執(zhí)行進(jìn)行了優(yōu)化。它獨(dú)立于平臺(tái)，這意味著它可以在任何具有兼容 PVM 的系統(tǒng)上運(yùn)行。
   • 字節(jié)碼：解析后的代碼被轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，一種較低級(jí)別的、與平臺(tái)無關(guān)的表示。
   • 指令集：該字節(jié)碼是Python虛擬機(jī)（PVM）可以執(zhí)行的一組指令。字節(jié)碼存儲(chǔ)在 __pycache__ 目錄中的 .pyc 文件中，以加快將來的執(zhí)行速度。

3.加載字節(jié)碼（字節(jié)碼）

編譯后，Python 虛擬機(jī)加載字節(jié)碼：

• 從緩存中讀取：如果字節(jié)碼之前已編譯且未更改，則從緩存（__pycache__）中讀取。這通過跳過編譯步驟來加快執(zhí)行速度。
  • 字節(jié)碼已加載到內(nèi)存中，準(zhǔn)備執(zhí)行。然后字節(jié)碼由 PVM 執(zhí)行，解釋指令以執(zhí)行程序的任務(wù)。

4.由 PVM (PVM) 執(zhí)行

PVM 現(xiàn)在解釋并執(zhí)行字節(jié)碼：

• 指令執(zhí)行：PVM 讀取每個(gè)字節(jié)碼指令并執(zhí)行它。每條指令對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的操作，例如加載值、執(zhí)行算術(shù)或調(diào)用函數(shù)。
• 內(nèi)存管理：管理變量和對(duì)象的內(nèi)存分配和釋放。

Python 中的內(nèi)存管理:

1. 引用計(jì)數(shù)：Python 跟蹤內(nèi)存中對(duì)象的引用數(shù)量。當(dāng)引用計(jì)數(shù)降至零時(shí)，可以回收該對(duì)象占用的內(nèi)存。
2. 對(duì)象分配：代碼運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存中創(chuàng)建 Python 對(duì)象（如整數(shù)、字符串、列表）。
3. 垃圾收集：Python 有一個(gè)垃圾收集器，它通過釋放不再使用的內(nèi)存（即引用計(jì)數(shù)為零的對(duì)象）來幫助管理內(nèi)存。
4. 內(nèi)存池：Python 使用內(nèi)存池來更有效地分配小對(duì)象。這種池化有助于減少頻繁分配和釋放小塊內(nèi)存的開銷。
5. 內(nèi)存優(yōu)化：Python 應(yīng)用各種優(yōu)化來最小化內(nèi)存使用，例如：
   • PVM 執(zhí)行各種運(yùn)行時(shí)優(yōu)化以提高效率，例如某些實(shí)現(xiàn)（如 PyPy）中的即時(shí) (JIT) 編譯。
   • 重用小整數(shù)和內(nèi)部字符串。
   • 有效管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（例如元組、列表、字典）。

示例：

• 字節(jié)碼緩存：PVM 緩存已編譯的字節(jié)碼，以避免每次都重新編譯源代碼。這會(huì)加快后續(xù)運(yùn)行的速度。
• 常量折疊：這涉及在編譯時(shí)而不是運(yùn)行時(shí)簡化常量表達(dá)式。例如，3 * 2 可能會(huì)預(yù)先計(jì)算為 6。

所以，總而言之：PVM 就像一個(gè)管弦樂隊(duì)指揮，無縫地將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的操作。它的美妙之處在于，得益于 PVM，Python 代碼是可移植的，無需修改即可在不同平臺(tái)上運(yùn)行。

我們?nèi)绾尾榭醋止?jié)碼是否生成？

導(dǎo)入Python模塊時(shí)，Python會(huì)將源代碼編譯為字節(jié)碼并將其存儲(chǔ)在__pycache__目錄中。這有助于加快未來的導(dǎo)入速度，避免每次導(dǎo)入時(shí)都需要重新編譯模塊。

流程如下：

• 首次導(dǎo)入：首次導(dǎo)入模塊時(shí)，Python 會(huì)將 .py 文件編譯為字節(jié)碼。
• pycache 目錄：字節(jié)碼存儲(chǔ)在 __pycache__ 目錄中，名稱類似于 module_name.cpython-312.pyc。 # 312 是 Python 版本。
• 后續(xù)導(dǎo)入：在后續(xù)導(dǎo)入時(shí)，Python 會(huì)檢查 __pycache__ 目錄中是否有已編譯的字節(jié)碼，如果源代碼未更改，則使用它，從而加快導(dǎo)入過程。

例子：

我們有 byte.py。當(dāng)我們?cè)趫?zhí)行 byte.py 后從 hello_world.py 導(dǎo)入代碼時(shí)，我們可以看到該特定文件夾中會(huì)有一個(gè)目錄 __pycache__ ，并且我們可以看到 .pyc 文件：

from hello_world import greet

greet("Byte code")

通過使用 py_compile

py_compile模塊，它允許你將Python源文件編譯成字節(jié)碼文件。這是一種加快未來運(yùn)行腳本執(zhí)行速度的便捷方法。

在 byte.py 中

import py_compile

py_compile.compile('hello_world.py')

• py_compile 模塊將 hello_world.py 編譯為字節(jié)碼。
• 生成的字節(jié)碼存儲(chǔ)在 pycache 目錄中，創(chuàng)建一個(gè)名為 hello_world.cpython-38.pyc （或類似文件，具體取決于您的 Python 版本）的文件。

生成字節(jié)碼：

• 執(zhí)行整個(gè)腳本來生成字節(jié)碼。這意味著任何頂級(jí)代碼（例如 print("Hello, World!") 和 print("c")）都將在編譯過程中運(yùn)行。

生成的字節(jié)碼：

• 字節(jié)碼包含所有函數(shù)、類和可執(zhí)行語句，Python 使用它們來加速未來腳本的導(dǎo)入。

顯示模塊

Python 中的 dis 模塊用于將字節(jié)碼反匯編成更易讀的形式。這可以幫助您了解 Python 代碼在幕后的用途。它對(duì)于調(diào)試或了解 Python 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別有用。

• 在internal.py中我們有

from hello_world import greet

greet("Byte code")

輸出

import py_compile

py_compile.compile('hello_world.py')

• 程序首先導(dǎo)入 dis 模塊，這是一個(gè)用于分析 CPython 字節(jié)碼的強(qiáng)大工具。 CPython 是 Python 的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，字節(jié)碼是 Python 解釋器的中間語言。
• 接下來，我定義了一個(gè)名為greet的簡單函數(shù)。該函數(shù)接受參數(shù)名稱并打印出問候語。盡管函數(shù)本身非常簡單，但 Python 底層發(fā)生的事情比表面上看起來更復(fù)雜。
• disassemble_function 函數(shù)使用 dis.dis() 來反匯編greet函數(shù)。 dis.dis() 將 Python 函數(shù)轉(zhuǎn)換為 Python 虛擬機(jī)實(shí)際執(zhí)行的低級(jí)字節(jié)碼。這個(gè)字節(jié)碼是Python對(duì)greet函數(shù)的解釋，更接近機(jī)器代碼。
• 當(dāng)腳本調(diào)用 disassemble_function() 時(shí)，控制臺(tái)輸出顯示我們的greet 函數(shù)的字節(jié)碼。

這是字節(jié)碼告訴我們的內(nèi)容：

• LOAD_GLOBAL(0)：此操作碼用于加載全局變量，在本例中是打印函數(shù)。
• LOAD_CONST(1)：這會(huì)將常量值“Hello,”加載到堆棧上。
• LOAD_FAST(0)：此操作碼將局部變量名稱加載到堆棧上。
• FORMAT_VALUE(0)：這會(huì)格式化我們的名稱字符串，準(zhǔn)備將其插入到即將構(gòu)建的字符串中。
• BUILD_STRING(2)：這采用堆棧上的前兩個(gè)值（“Hello，”和名稱）并構(gòu)建最終字符串。
• CALL_FUNCTION(1)：這一行調(diào)用函數(shù)（我們加載到堆棧上的全局打印函數(shù)），參數(shù)計(jì)數(shù)位于括號(hào)中（我們有一個(gè)參數(shù)，即我們的格式化字符串）。
• POP_TOP：這會(huì)刪除堆棧頂部（上一次調(diào)用的結(jié)果，因?yàn)?print 返回 None）。
• LOAD_CONST(0)：不加載。
• RETURN_VALUE：這是greet函數(shù)的返回值，由于沒有明確的return語句，因此為None。
• 本質(zhì)上，字節(jié)碼顯示了Python執(zhí)行我們的greet函數(shù)時(shí)執(zhí)行的各個(gè)操作。理解這些指令對(duì)于開發(fā)人員理解 Python 如何執(zhí)行代碼、優(yōu)化函數(shù)和管理資源至關(guān)重要 - 當(dāng)我們運(yùn)行 Python 代碼時(shí)，所有這些都在幕后無縫地發(fā)生。

這不是一次令人愉快地深入 Python 機(jī)房的經(jīng)歷嗎？繼續(xù)編碼并繼續(xù)探索該語言引擎室的深度？！

以上是Python 的內(nèi)部工作原理的詳細(xì)內(nèi)容。更多信息請(qǐng)關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！